Respiratornaya_fiziologia

1. Респираторная физиология.

Основной функцией респираторной системы является обмен кислорода и двуокиси углерода между кровью и вдыхаемым газом. Менее существенны функции контроля за кислотно-основ- ным состоянием и метаболизмом гормонов, эвакуации частичек различного происхождения или их комплексов - в реализации этих функций используется преимущество единственного органа, получающего сердечный выброс полностью.

Дыхание.

Инициация дыхания начинается в инспираторном нейроне респираторного центра, расположенного в дне четвертого желудочка. С окончанием вдоха активизируются нисходящие моторные нейроны латеральных и вентральных столбов спинного мозга, образующие в передних его рогах синапсы с нервами, иннервирующими дыхательную мускулатуру. С началом мышечного сокращения нервно-мышечные веретена получают нагрузку, в соответствии с которой регулируют активность клеток передних рогов до уровня, необходимого для развития достаточного усилия.

Диафрагма является основной дыхательной мышцей. Сокращение инвертированных J-образных волокон опускает диафрагму, что влечет соответствующее снижение внутриплеврального давления. Одновременно происходит сокращение мышц, расширяющих верхние дыхательные пути ( alae nasi, tensor palatini, pala-

toglossus, myoglossus, posterior crycoarytenoid), что ведет

к открытию дыхательных путей и препятствует развитию коллабирующих сил, обуславливаемых отрицательным, субатмосферным давлением. Ременные (?) и межреберные мышцы так же сокращаются, стабилизируя верхнюю часть грудной клетки, предотвращая западение податливых ее участков, одновременно способствуя расширению нижних отделов грудной клетки за счет движения ребер по типу "букет в руке".

Нарастающее субатмосферное давление плевральной полости приводит к увеличению объема легких и расширению внутригрудных дыхательных путей. Воздух проходит через нос, где согревается и увлажняется, через глотку, гортань, трахею и бронхи, достигая терминальных бронхиол. На этом этапе увеличение

площади поперечного сечения дыхательных путей становиться столь существенным, что заметного движения массы газа уже не происходит и газообмен с альвеолами осуществляется путем диффузии. Расстояние при этом менее 5 мм и эквилибрация занимает менее 1 секунды.

Вдыхаемый воздух распространяется по легким не равномерно, но направляется предпочтительно к максимально перфузируемым зависимым ( подлежащим ?) зонам. Окончательное

уравновешивание вентиляционно-перфузионного соотношения достигается при помощи механизма гипоксической легочной вазоконстрикции ( ГЛВ ).

Кислород диффундирует из терминальных бронхиол через респираторные бронхиолы и альвеолярные мешочки в альвеолы. Затем он диффундирует через альвеолярный эпителий, базальные мембраны, эндотелий капилляров, плазму и мембрану эритроцитов, где связывается гемоглобином. Двуокись углерода диффундирует в обратном направлении.

По мере реализации вдоха, возрастает афферентная нейрональная активность с рецепторов растяжения в легких, грудной клетке и мышцах, что в совокупности с нарастанием обратной информации (активности?) собственно инспираторных нейронов ведет к прекращению вдоха.

Наступающий затем выдох осуществляется в основном пассивно, за счет эластической энергии легких и грудной клетки, обеспечивающих силу, необходимую для преодоления потока воздуха, изгоняемого из бронхиального дерева и верхних дыхательных путей. Как только объем воздуха достигает функциональной остаточной емкости (ФОЕ), активность экспираторных нейронов падает, инспираторных - возрастает, что знаменует начало следующего дыхательного цикла.

Контроль дыхания.

Дыхание регулируется респираторными нейронами ( больше известными под названием дыхательный центр ) с целью поддержания постоянства гомеостаза. Напряжение двуокиси углерода в артериальной крови поддерживается на уровне 5,3 кРа ( 40 мм рт ст) и таким образом в норме основной определяющей минутной вентиляции ( V ) является продукция двуокиси углерода (VCO2), которая в свою очередь определяется метаболической активностью организма и источником энергии. При углеводной диете вентиляция выше [(дыхательный коэффициент ( ДК ) = 1,0], чем при жировой ( ДК = 0,7 ), так как в последнем случае энергозатраты на продукцию единицы СО2 выше.

Дыхание изменяется и под действием многих других факторов, в частности из высших отделов мозга, включая кору. Характеристики дыхания могут меняться вследствие речи, при приеме пищи, питье. Ожидание физической нагрузки, равно как и сама нагрузка усиливают дыхание. Дыхательный центр так же поддерживает баланс между глубиной дыхания [ дыхательный объем ( ДО или Vt )] и его частотой с целью минимизации кислородной цены дыхания ( VO2resp ). Увеличение эластической работы работы дыхания ( при отеке или фиброзе легких ) ведет к возрастанию частоты дыхания, в то время как возрастание работы по преодолению сопротивления ( при астме ) ведет к

возрастанию ДО (Vt).

Дыхание может изменяться так же под влиянием РаСО2, артериального рН, и РаО2, первые два - через центральные хеморецепторы, последний - через периферические хеморецепторы.

Центральный контроль

Центральные хеморецепторы лежат в дне четвертого желудочка и являются либо нейронами, ответственными за генерацию дыхательного ритма, либо близко с ними связаны. Эти клетки реагируют на изменения рН интерстициальной жидкости, а их чувствительность к изменениям РаСО2 является отчасти следствием слабых буферных свойств спинно-мозговой жидкости ( СМЖ ) по сравнению с кровью. Ответ наступает очень быстро и введение крови с повышенным РаО2 в сонную артерию экспериментального животного во время вдоха приводит к угнетению этого дыхательного цикла. Изменения V ( минутной вентиляции ) по отношению к РаСО2 имеют приблизительно линейную форму до уровня РаСО2 = 12 кРа ( 90 мм рт ст ) и составляют приблизительно 15 литр.мин -1. кРа -1 ( рис. 1.1 ).

Периферические рецепторы Периферические рецепторы расположены в особых тельцах

каротидных синусов и аорты. Более всего они соответствуют названию сенсоров доставки кислорода, так как реагируют как на изменения РаО2, так и изменения скорости кровотока. Каро-

тидные тельца эффективно мониторируют обеспечение кислородом мозга, органа, наиболее легко повреждаемого гипоксемией. Механизм, по-видимому, подобен таковому в центральных хеморецепторах, где чувствительные клетки реагируют на изменения рН. Вентиляторный ответ на гипоксемию показан на рисунке 1.2 и, если РаСО2 остается постоянным, изменения носят линейный характер, если оксигенация выражена насыщением оксигемоглобина (SaO2). При одновременном увеличении РаСО2 ответ выражен значительно сильнее.

Респираторные рефлексы

Кашель Кашель есть удаление нежелательных материалов из дыха-

тельных путей. Он повышает эффективность мукоцилиарного механизма удаления мелких твердых частичек. Кашель может быть инициирован сознательно, но обычно это все же спонтанная реакция на стимуляцию рецепторов дыхательных путей. Он состоит из максимального вдоха с последующим форсированным выдохом против закрытых голосовых связок, при этом внутригрудное давление может достигать 80 см Н2О. Затем голосовые связки

открываются, позволяя реализовать выдох с максимальной скоростью. Повышенное внутригрудное давление вызывает динамическое сдавление бронхов, что еще более увеличивает скорость выдыхаемого воздуха, которая часто достигает скорости звука и создает срезающее усилие, отделяющее мокроту от слизистой

оболочки. В процессе кашлевого движения волна динамического сдавления прочищает бронхи от малых к большим.

Таким образом для эффективного кашля необходимы три элемента: адекватный инспираторный объем, адекватное экспираторное усилие, и функционирующие голосовые связки. Отсутствие любого из этих элементов ведет к нарушению процесса кашля и задержку мокроты.

Ларингоспазм Ларингоспазм, филогенетически, является весьма прими-

тивным рефлексом и предполагает защиту легких от вдыхания вредных веществ. Он индуцируется стимуляцией как химических, так и тактильных рецепторов выше и ниже голосовых связок.Рефлекс менее выражен у пожилых.

Активация (Пробуждение ?)

Способность к пробуждению от состояния седации или сна в ответ на апное, обструкцию дыхательных путей или необходимость откашляться является важной респираторной реакцией. Она притупляется во время нормального сна, а так же под действием седативных и анальгетических препаратов, таких

как морфин и может оказаться решающим фактором в развитии послеоперационных осложнений.

Механика дыхания

Респираторная система может быть определена как спадающийся эластический мешок ( легкие ), окруженный полужестким каркасом ( грудная клетка ) с поршнем с одной стороны ( диафрагма ), снабжающаяся через разветвляющуюся систему полужестких трубок ( дыхательные пути и трахеальное дерево ). Объем системы в покое сбалансирован между тенденцией легких к спадению и грудной клетки к расширению, и положением диафрагмы.

Легочные объемы

Общий объем респираторной системы [ Общая емкость легких (ОЕЛ)] при максимально глубоком добровольном вдохе у среднего взрослого приблизительно равна 3 - 6 л и более зависит от роста, чем от веса. Она может быть разделена на часть участвующую в газообмене ( альвеолярный объем ) и не

участвующую ( мертвое пространство ). Альвеолярный объем так же может быть разделен на тот, который может быть измерен у губ ( жизненная емкость легких - ЖЕЛ) и тот, который останется в легких даже после максимального выдоха ( остаточный объем легких - ООЛ).Эти объемы мало зависят от положения тела, в отличие от объема, остающегося в легких после нормального выдоха ( функциональная остаточная емкость легких - ФОеЛ). ФОЕЛ зависит от положения тела, будучи максимальной в положении стоя и минимальной в положении лежа с опущенным головным концом. Эти изменения обуславливаются в основном движением диафрагмы. Объемом закрытия (ОЗ) называется объем легких, когда мелкие воздухоносные пути зависимой части легких начинают спадаться в процессе выдоха. Обычно этот объем меньше ФОЕЛ, но больше остаточного объема (ОО). Это может быть продемонстрировано на выдохе до ОО, за которым неизбежно следует вздох для ренаполнения спавшегося легкого. ОЗ увеличивается с возрастом, ФОЕЛ снижается в следствие целого ряда факторов ( см. табл. 1.1 ) и если ОЗ больше ФОЕЛ, зависимая часть легких коллабируется в процессе нормального дыхательного цикла, что ведет к гипоксемии.

Вышеописанные объемы получают при медленном дыхании, при котором сопротивление дыхательных путей не имеет значения. Для клинической оценки пациента более полезны динамические легочные объемы, такие как форсированная жизненная емкость легких ( ФЖЕЛ) и форсированный выдыхаемый объем ( ФВО1 ). Лимитирующим фактором при форсированном вдохе является динамическое давление внутригрудных дыхательных путей вследствие повышения внутригрудного давления.

Растяжимость И легкие и грудная стенка требуют приложения растягива-

ющей силы, обычно выражаемой как изменение объема за еденицу растягивающего давления( растяжимость)(мл.смН2О-1). В обоих случаях это приблизительно 200 мл.смН2О-1. Растяжимость респираторной системы в целом (100 мл.смН2О-1) очевидно меньше составляющих ее компонентов и является результатом их взаимосложения ( 1/200 +1/200). Кривая растяжимости легких показана на рисунке 1.4. Кривая растяжимости имеет в основном линейный характер за исключением случаев легких малого объема либо почти полностью наполненных. В первом случае вследствие необходимости добавочного усилия для растяжения спавшихся участков и преодоления эффекта поверхностного натяжения, во втором - вследствие достижения эластичными волокнами предела их растяжимости.

Легкие демонстрируют гестерезис, т.е. растяжимость изменяется в процессе вдоха и выдоха. Это является следствием действия альвеолярного сурфактанта и не проявляется при растяжении легких жидкостью.

Сурфактант Поскольку альвеолы определяются как множество взаимосо-

общающихся пузырьков, можно было бы ожидать, что нормальный эффект поверхностного натяжения приведет к их слиянию через "поглощение" мелких пузырьков большими. Этого, однако, не происходит вследствие наличия поверхностно-активного вещества, дипальмитоил лицетина, секретируемого альвеолярными клетками II типа. С уменьшением размера альвеол концентрация сурфактанта в поверхностном слое жидкости возрастает, что эффективно снижает поверхностное натяжение. Спавшиеся легкие и мелкие отделы дыхательных путей не имеют контакта воз- дух-жидкость, вследствие чего для их открытия необходимы дополнительные силы.

Сопротивление Потоку воздуха в легкие и из них препятствует сопротив-

ление трения дыхательных путей и, в меньшей степени, инерция газа. Важен тип потока, так как ламинарный предполагает меньшее сопротивление, чем переходный или турбулентный. Ламинарный поток имеет место при медленном газотоке и в мелких бронхах. В дыхательных путях большего размера и в ветвях бронхиального дерева может иметь место переходный или турбулентный поток.

Соотношение скорости ламинарного потока ( V ) и управляющего давления ( Р) описывается уравнением Пуазейля:

Следует обратить внимание, что радиус трубки критически важен, так как уменьшение его вдвое при неизменном *Р уменьшает поток в 16 раз, что является важным фактором в педиатрической практике.

Сопротивление дыхательных путей связано с легочным объемом, оно снижается при расправлении легких. Оно так же связано с бронхомоторным тонусом и толщиной слизистого слоя.

Вентиляционно-перфузионное соотношение

Как уже упоминалось выше, задачей легких является газообмен, осуществляемый путем доставки вдыхаемого газа до точки контакта с кровью легочных капилляров. В обычных условиях распределение вентиляции и перфузии соотносится почти иде-

ально. Основным определяющим моментом в распределении перфузии является гравитация, не находящаяся под контролем организма и таким образом основная роль по обеспечению адекватного соотношения при перемене положения тела ложится на

распределение вентиляции.

Распределение перфузии Основное влияние на распределение перфузии в легких

оказывает гравитация. Наилучшим образом перфузируются__ зави__симые_. участки легких. В положении стоя могут быть выделены три отличающиеся друг от друга зоны перфузии ( см. рис.

1.5). В верхней зоне альвеолярное давление превышает и легочное артериальное и легочное венозное давления и кровотока здесь практически нет. В норме таких зон нет, но они могут возникнуть в условиях гиповолемии и при повышении альвеолярного давления. В средней зоне альвеолярное давление меньше легочного артериального, но больше венозного. В нижней зоне и артериальное легочное и артериальное венозное выше альве-

олярного. В двух последних случаях кровоток больше в__ _.более __зависимых_. участках.

В пределах вещества легких легочные артерии разветвляются следуя лобарному строению бронхов. Легочные капилляры образуют плотную сеть вокруг альвеол. Ядра эндотелиальных клеток и поддерживающие коллагеновые волокна устроены таким образом, что они находятся на противоположной стороне альвеолы и диффузия газа происходит истонченную служебную стенку, состоящую только из ровного слоя эпителиальных и эндотелиальных клеток и спаянных с ними базальных мембран ( см. рис. 1.6). Проходя по легким эритроцит пересекает 2 - 3 альвеолы.

Диффузия СО2 и кислорода происходит очень быстро и в нормальных условиях насыщение гемоглобина кислородом завершается еще до того, как эритроцит пройдет всего половину своего пути по легким.

Распределение вентиляции

Целый ряд факторов обеспечивает направление вдыхаемого газа к__ зависимым_. участкам легких. Градиент давления, существующий на всем протяжении плевральной полости, за счет собственного веса легких менее отрицателен в базальных отделах по сравнению с верхушечными, Таким образом, различные участки легких находятся на разных участках кривой растяжимости ( см. рис. 1.7 ). Изменения внутриплеврального давления, имеющие место во время вдоха ( обычно около 5 см Н2О при среднем ДО) одинаковы для всех частей легких, но в итоге объем__ зави-

__симых_. частей легких увеличивается значительнее, чем у__ неза__висимых_..

Гипоксическая легочная вазоконстрикция

Описанный выше механизм поддержания вентиляционно-пер- фузионного соотношения весьма эффективен, но локальная тонкая регуляция достигается за счет локальной рефлекторной вазоконстрикции в снабжающих легочных артериях в ответ на альвеолярную гипоксемию. Этот механизм не имеет большого значения в нормальных легких, но он очень важен при таких заболеваниях как пневмония или в процессе однолегочной анестезии в торакальной хирургии.

Мертвое пространство, вентиляционно-перфузионное соотношение и шунт.

В идеально вентилируемом легком соотношение между вентиляцией и перфузией ( V/Q )= 1.0. Если вентиляция превышает перфузию - соотношение > 1, при отсутствии перфузии = *.

Напротив, если перфузия превышает вентиляцию V/Q<1, при отсутствии вентиляции - = 0. Первая ситуация включает в себя часть мертвого пространства, вторая - часть внутрилегочного шунта.

Мертвое пространство

Мертвым протсранством называется часть респираторной системы, не участвующая в газообмене. Оно включает анатомическое мертвое пространство, состоящее из верхних дыхательных путей и трахеобронхиального дерева вплоть до дыхательных бронхиол и физиологическое мертвое пространство - часть легких, имеющая V/Q>1. Анатомическое мертвое пространство у среднего взрослого - около 150 мл и оно может быть уменьшено за счет эндотрахеальной трубки. Более полезно измерение отношения мертвого пространства (Vd) к дыхательному объему

(ДО).

Объем СО2, выдыхаемого за время единичного дыхательного цикла является производным ДО и и смешанной выдыхаемой концентрации (FEco2). Он состоит из альвеолярного газа (Va), концентрация СО2 кторого не отличается от таковой в артериальной крови и мертвого пространства, не содержащего СО2. Концентрация газа может быть конвертирована в парциальное давление, если известно барометрическое. Va= ДО - ОМП и таким образом: ДО х РеСО2 = ( ДО - ОМП ) х РаСО2. Это уравнение может быть преобразовано в уравнение Бора:

ДО РаСО2 - РеСО2

-- = ------------

ОМП РаСО2 В нормальных условиях это соотношение составляет 0,3

при колебаниях дыхательного объема в весьма широких пределах

- от 50 мл до 1,5 л. При больших значениях дыхательного объема мертвое пространство больше анатомического вследствие расширения дыхательных путей и усиления вентиляции верхних отделов легких, где V/Q>1. Когда дыхательный объем меньше анатомического мертвого пространства, кажущееся мертвое протсранство уменьшается за счет газотока в дыхательных путях, приобретающего тенденцию к аксиллярности. При этом част газа, прилежащая к стенкам дыхательных путей движется очень медленно, что уменьшает эффективный диаметр дыхательных путей.

Шунт Напряжение кислорода в артериальной крови (РаО2) мень-

ше, чем в альвеолах (РАО2). Эта разница ( РАО2 - РаО2 ) образуется за счет диффузионного градиента через альвеоло-ка- пиллярную мембрану, разведения крови легочных капилляров кровью, минующей легкие ( бронхиальная циркуляция, Тебезиевы вены, пороки сердца ), а так же поступающей из зон легких с V/Q<1. Для удобства различные причинв А-а разница могут быть объеденены, а легкие считаться нормальными при том, что сердечный выброс (Qt) имеет часть, обходящую легкие или шунтирующуюся через них (Qs). Соотношение Qt/Qs(истинно шунтирующая фракция) описывается аналогично уравнению Бора:

Qt Cc'O2 - CaO2 -- = ------------

Qs Cc'O2 - CvO2

где Сс'O2, CaO2, CvO2 есть содержание кислорода ( в мл/100 мл-1 крови) в конце легочного капилляра, артериальной и смешанной венозной крови соответственно. Концентрация истинного шунта, в норме составляющего менее 4 % сердечного выброса, полезна для оценки пациента в критическом состоянии.

Перенос газов и газообмен.

Утилизация кислорода и продукция СО2 происходит в митохондриях. В этой части описаны средства доставки газов из атмосферы к клеткам и обратно.

Кислород.

Кислородный каскад Кислородный каскад ( см. рис. 1.8) есть удобный способ

продемонстрировать этапы изменения градиента концентрации кислорода от атмосферы к митохондриям.

Парциальное давление кислорода во вдыхаемом воздухе (РiO2) равно приблизительно 21 кРа (160 мм рт ст) и опреде-

ляется барометрическим давлением (Рб) и фракцией вдыхаемого кислорода (FiO2)(0,21).

PiO2 = Pb x FiO2

Вдыхаемый газ "разводится" в присутствии водяных паров и когда он насыщен полностью, снижение определяется формулой:

PiO2 (sat) = (Pb - PH2O)xFiO2

Вдыхаемый газ подвергается дальнейшему "разведению" за счет поступления двуокиси углерода и извлечению кислорода в

альвеолах. При нормальной диете продуцируется СО2 несколько меньше, чем потребляется кислорода ( дыхательный коэффициент RQ<1) и напряжение альвеолярного кислорода (РАО2) представленное уравнением альвеолярного газа выглядит

так: PACO2

РАО2 = PiO2 - -------

RQ

Как упоминалось выше разница между РАСО2 и РаСО2 очень мала и в привед/нном уравнении один можно заменять другим. Это важное уравнение; в частности оно дает возможность определитьвлияние изменения минутной вентиляции ( гипоили гипервентиляции) на РаО2. Взаимоотношение альвеолярной вентиляции (Va) и РАСО2 показано на рисунке 1.9 и носит экспоненциальный характер. Так, увеличение вдвое Va ведет к уменьшению РАСО2 и наоборот. Если это изменение введено в уравнение альвеолярного газа, то зависимость между Va и РАО2, изображенная на рисунке 1.9 становится очевидной. Изображены две кривые, верхняя для FiO2 = 0,21 и нижняя для FiO2 = 0,3 Можно видеть, что со снижением Va быстро развивается развивается гипоксемия, легко коррегируемая небольшим увеличением FiO2, в то время как гипервентиляция приводит лишь к незначитеьльному увеличению РАО2.

Затем кислород диффундирует из альвеол в эритроциты, где связывается с гемоглобином.

Гемоглобин Каждые 100 мл крови содержат около 20 мл кислорода,

почти полностью переносимого гемоглобином. Кислород мало растворим в крови (0,023 мл.100 мл-1крови.кРа-1 0,003 мл. 100мл-1 крови мм рт ст). Содержание кислорода в крови (Со2) выглядит так: Со2(мл.100мл-1крови)=0,023хРо2(кРа)+(1,34х Нd(гр.дл-1)хSo2(%)/100 где SO2есть насыщение оксигемоглобина. Каждая молекула гемоглобина может нести четыре молеклы кислорода. Соотношение между РО2 и SО2 имеют знакомую по кривой диссоциации оксигемоглобина форму ( см. рис.

1.10). Нормальное РаО2 около 13 кРа (100 мм рт ст) SaO2 - 97%, в то время как значение смешанной венозной крови PvO2и